Die Grundlagen der Nomographie

92 Pages·1923·4.851 MB·German

by  Ing. B. M. Konorski (auth.)

Die Grundlagen
der N omographie
Von
lng. B. M. Konorski
Mit 72 Abbildungen im Text
Berlin
Verlag von Juli us Springer
1923
ISBN-13: 978-3-642-89971-3 e-ISBN -13: 978-3-642-91828-5
DOl: 10.1007/978-3-642-91828-5
Alle Rechte, insbesondere das der Ubersetzung
in fremde Sprachen, yorbehalten.
Inhaltsverzeiclmis.
Seite
§ 1. Allgemeine Bemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . 1
§ 2. Die Darstellung einer :Funktion einer Variablen mittels Kurve
und mittels Skala . . . . . . . . . . . 2
§ 3. Die Potenz- und die logarithmisehe Skala . . . 5
§ 4. Die projektive Skala· . . . . . . . . . . . . 8
§ 5. Die nomographischen Tafeln mit drei parallelen Skalen . 12
§ 6. Die nomographisehen Tafeln mit zwei Parallelen und einer sieh
sehneidenden Geraden . . . . . . . . . . . . . 17
§ 7. Tafeln mit drei einander sehneidenden Geraden . . . .. 20
A. Die Geraden sehneiden sieh in einem Punkte . . . .. 20
B. Die drei Geraden sehneiden sieh nieht in einem Punkte 23
§ 8. Tafeln mit krummlinigen Skalen. Allgemeine Gleiehungen 25
§ 9. Die Zentralprojektion einer krummlinigen Skala auf eine Gerade 28
§ 10. Zentralprojektion einer krummlimgen Skala auf eine Kurve 40
§ 11. Die nomographischen Tafeln mit einer krummlinigen Skala . . 42
§ 12. Die nomographisehen Tafeln mit zwei und drei krummlinigen
Skalen . . . . . . . . . . . . 49
§ 13. Zusammenstellung del' Resultate 51
S1 4. Die zusammengesetzten Tafeln . 60
§ 15. Die Tafeln fiir vier Variable mit dem Sehmttsystem zweiten
Grades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
A. Das Schnittsystem besteht aus zwei parallelen Geraden . . 63
B. Das Sehmttsystem besteht aus zwei sieh sehneidenden Go-
raden . . . . . . . . . . . . . 71
§ 16. Duale Nomogramme, Kurvenschal'en 73
§ 17. Metrische Nomogramme ..... . 78
§ 1. Allgemeine Bemerkungen.
Die von d'Ocagne in seinem "Traite de Nomographie" (1899)
veroffentlichten Methoden haben eine groBe Verbreitung erlangt,
nachdem es sich gezeigt hatte, welche groBe praktische Anwen
dung sie finden konnen. Heutzutage werden die nomographischen
Tafeln, welche komplizierte Rechnungen in hohem Grade verein
fachen, nicht nur von Physikern in den Laboratorien und In
genieuren in den Buros angewendet - die Leichtigkeit ihres Ge
brauches hat zur Folge, daB manche Unternehmungen sie sogar
den Monteuren und Meistern in die Hande geben, zwecks An
wendung bei der Montage und in der Werkstatt. Die Nomographie
ist, ahnlich wie der Rechenschieber, ein weiterer Schritt zur Be
freiung des Arbeitenden von rein mechanischen Rechenopera
tionen. Ihre groBe Bedeutung liegt darin, daB sie zwei Zeit
momente einander nahert: das Moment der Aufstellung einer
Formel und das Moment ihrer Berechnung. Mit einem Worte,
sie verkiirzt den Weg zwischen Vorsatz und Ausfuhrung. In
dieser Eigenschaft bildet sie ein Werkzeug der Gedankenokonomie,
die dem Geiste erlaubt, sich auf das zu konzentrieren, was seine
vorwiegende Aufgabe bildet - auf die schopferische Arbeit anstatt
auf die mechanische.
Das Mittel, mit dem bei der Berechnung von funktionellen
Zusammenhangen dieses Ziel erreicht wird, ist die Durchfiihrung
von gewissen einfachen Manipulationen auf geometrisch-graphi
schen Figuren, welche nomographische Tafeln oder Nomo
gramme genannt werden. Eine nomographische Tafel besteht
aus einer bestimmten Anzahl von Geraden oder Kurven, auf
welchen auf Grund bestimmter Regeln und Zusammenhange
Teilpunkte aufgetragen und Zahlen eingeschrieben sind, die Argu
mente bedeuten, welchen diese Punkte entsprechen. Solche Linien
werden Skalen genannt. Indem wir die Skalen einer nomo
graphischen Tafel mit einer Geraden oder mit einem System von
Geraden, das dann Schnittsystem heiBt, schneiden, konnen
wir an den Schnittpunkten die Zahlen ablesen, die gewissen
funktionellen Zusammenhangen entsprechen.
K on ors k i, Nomographie. 1
2 Die Darstellung einer Funktion einer Variablen mittels Kurve.
Der Anwendungsbereich der nomographischen Tafeln ist sehr
groB; mit ihrer Hilfe lassen sich Funktionen von 2, 3, 4 und,
durch Zusammensetzen mehrerer Tafeln, auch mehreren Variabeln
berechnen; unter anderem kann man nomographisch aueh alge
braische Gleichungen losen. Die Zeit, die zum Ablesen dieser
funktionellen Zusammenhange notig ist, ist gering im Vergleiche
mit der Zeit, die die Durchfii.hrung derselben Rechnung auf dem
gewohnlichen "\Vege erfordert - mld darin besteht eben die
Okonomie, die die nomographischen Tafeln einfiihren.
Eine groBe Reihe von Tafeln fUr Berechnungen, die oft in
der Technik vorkommen, wie z. B. Berechnung des Spannungs
abfalles in elektrischen Leitungen, des elektrischen Widerstandes,
der Riemen- und Zahntriebe und viele andere, sind durch die
Gesellschaft "Stugra" (Zentralstelle fiir graphische Berechnungs
tafeln, Berlin-Waidmannslust) zusammengestellt und heraus
gegeben. Die mehr ins Spezielle gehenden mld seltener vor
kommenden Berechnungen erfol'dern eine Konstruktion ad hoc,
die den speziellen Bedingungen (z. B. Bereich, Genauigkeit usw.)
angepaBt ist. Eine solche Konstruktion verlangt Kenntnis del'
Theorie der nomographischen Tafeln; auBerdem liegt eine Schwie
rigkeit darin, daB man jede Funktion meistens in mehrfacher
Weise nomographisch darstellen kann, und es handelt sich darum,
aus allen moglichen Fallen die einfachste Darstellung zu wahlen.
Die vorliegende Arbeit hat den Zweck, die Theol'ie und die
Konstruktionsgnmdlagen der nomographischen Tafeln zu ent
wickeln.
§ 2. Die Darstellung einer Funktion einer Variablen
mittels Kurve und mittels Skala.
Ein 8ehr verbreitetes Hilfsmittel bei Rechnungen mit del'
Funktion y = f(x) ist die Darstellung dieser Funktion in Form
einer Tafel mit zwei Kolonnen, wobei in der einen sich die Werte
der Variablen x, in der anderen die entsprechenden Werte der
Variablen y befinden. Von diesel' Art sind z. B. die Quadrat
und Kubiktafeln der natiirlichen Zahlen, die Logarithmentafeln
und viele andere. Ebenso oft, und zwar am meisten, wenn del'
funktionelle Zusammenhang zwischen den Variablen unbekannt
und z. B. auf experimentellem Wege entstanden ist, gebraucht
man die graphische Darstellung del' Funktion mittels der kartesia
nischen Koordinaten in Form einer Kurve. Zu dieser Kategorie
gehoren z. B. die in der Elektrotechnik gebrauchten Magneti
sierungskurven, die J-S-Kurven in der "\Vasserdampftechnik u. a.
Die Darstellung einer Funktion einer Variablen mittels Kurve. 3
In den nomographischen Tafeln wird eine andere Art von
Funktionsdarstellung gebraucht. Dies ist die sog. Doppel
skala und die Funktionsskala. Legen wir in der graphischen
Darstellung Y = f(x) (Abb. 1) auf der Abszissenachse OX Teil
punkte der Variablen x, die den Werten 1, 2, 3, 4 usw. dieser
Variablen (sog. natiirliche Reihe) entsprechen. Zu jedem
Punkte schreiben wir die
Zahl, die den entsprechen- .Y
den Wert der Variablen x '7 BL ___ yz-=M_ __ _
ausdriickt. Es wird dann
Strecke 0 1 = Strecke 1 2 =
Strecke 2 3 usw., und die 5
Langen dieser Strecken sind "
von dem von uns beliebig 3
angenommenenMaBstabe ab
hangig. In dieser Weise be- Z
kommenwiraufderAchseOX 1
eine Skala, die wir natiir
liche Skala nennen. o 1 5 6 '189
Wenn wir nun, graphisch Abb.1.
mit Hilfe der Kurve oder
analytiscq, die Werte Yl' Y2' Y:r der Variablen Y, die den Werte n
der Teilpunkte der Variablen x entsprechen, bestimmen und sie
an den entsprechenden Punk- IIW/cm Gauss IIWjcm Gauss
ten der x-Skala dazuschrei- 3500 zoooo
ben, so erhalten wir eine !I x9 <'~(n)'nVOnV 22000 22050000 18000
7 ", 1500
Skala mit einer doppelten B 20000 1000
16000
Skalenreihe, die sog. Dop-
100 18000
pels kala, die uns fUr jeden 7 500 111000
bestimmten Wert von x den 6 6 16000B 12000B
entsprechenden Wert von y, 5 111000t
und umgekehrt, zu finden 5 12000\ 100001
moglich macht. Durch ge- If. 8000
10000
nugend feine Unterteilung 'I J 5 25 6000
der Skalen fiir x und Y 2 8000 20 'loot)
konnen wir, sei es durch 3 6000 10
direkte Ablesung, sei es durch : 1
'100'(}
geometrische Interpolation, 0 0
fur jeden Wert von x inner- Abb.2. Eisenblech. GuBeisen.
halb gewisser Grenzen den Abb.3.
entsprechenden Wert von Y,
und umgekehrt, finden (Abb.2). Die graphische Darstellung be
sitzt eine groBere Anschaulichkeit und Verstandlichkeit als die
1*
4 Die Darstellung einer Funktion einer Variablen mittels Skala.
Skalendarstellung einer Funktion, jedoch auch diese letztere hat
viele Vorteile. So z. B. wird del' Gebrauch del' Magnetisierungs
kurve fur groBe magnetische Sattigungen unbequem. In del' Doppel
skala (Abb.3) verschwindet diese Unannehmlichkeit. In del'
Doppelskala benutzen wir nur eine Raumdimension (Lange), wo
gegen die graphische Darstellung nach Abb. 1 zwei Raumdimen
sionen ausnutzt und viel mehr Platz erfordert. AuBerdem ist
das Ablesen von del' Doppelskala viel bequemer als von del'
grap his chen Darstellu ng.
Von groBem praktischen Wert ist auch die Eigenschaft del'
nomographischen Darstellung einer FunktiGn mit mehreren Va
riabeln, daB man wahrend del' Rechnung bald eine, bald eine
andere Variable beliebig als Funktion del' anderen be
x II stimmen kann.
89 7 In ahnlicher 'Weise, wie wir es mit del' Variablen y
7 5 machten, indem wir ihre Werte auf del' Abszissenachse
6
5 5 einschrieben, konnen wir mit del' Variablen x vorgehen
und ihre Werte auf del' Ordinatenachse auftragen. 'Vir
3 If bekommen dann eine Doppelskala (Abb.4), welche die
2 3 zur Funktion y = f(x) inverse Funktion x = F(y) dar-
1 2 stellt.
Falls Wll' zwei Funktionen einer unabhtin.gigen Va-
1 riablen
o o z = Mx) (1)
Abb. 4. haben, so konnen wir sie mittels einer clreifachen Skala
clarstellen, aus del' wir ebenfalls die durch die Gleichun
gen (1) entstandene Abhangigkeit zwischen y und z ablesen
konnen. Abb.5 stellt in einer dreifachen Skala den Zusammen
hang zwischen clem Druck von gesattigtem Wasserdampf (in
Atmospharen), seiner Temperatur (in Graden 0)
tOe r/at 8abs. • E . b 1
180 10 ~58 und selUer ntroPle (in a so uten Einheiten) dar.
Kommen wir jetzt zur graphischen Funk-
9 ~59 tionsclarstellung zuruck und ii.bertragen wir, wie
170 8 ~60 dies auf Abb. 6 gezeigt ist, die Werte del' Va-
160 7 1,61 riablen y auf die Ordinatenachse. Nach Einschreiben
6 1,62 an den erhaltenen Teilpunktcn del' entsprechenclen
1,63
150 5 1,69 Werte von x und y wurden wir auf del' Ordinaten-
1110 1,65 achse wieder eine Doppelskala del' Funktion y = f(x)
bekommen. Wenn wir jedoch an den Teil-
130
120 1,70 punkten nur die Werte del' unabhangigen Va-
710100 1,75 riablen x auftragen, ohne die Werte del' abhangigen
8_0-'----.!'--'-1,85 Variablen y anzugeben, so erhalten wir eine Skala
Abb.5. mit den Zahlen 1, 2, 3, 4 usw., wobei jedoch die
Die Po benz- und die logarithmische Skala. 5
Strecken 0 1, 02, 03 usw. gleich den in einem beliebigen (kon
stanten) MaBstabe dargestellten GroBen /(1), f (2), f (3) usw. sind,
die wir erhalten, wenn wir die entspreehende Teilzahl von x in die
Funktion y = f(x) einsetzen. Eine solche Skala nennen wir die
Funktionsskala del' Funktion y = f(x) (Abb.7). In ganz ahn
licher Weise konnen wir die Funktionsskala del' inversen Funk
tion x = F(y) erhalten.
Aus j eder Funktionsskala kann man eine Doppel
skala erhalten durch Hinzuschreiben del' Werte del'
unabhangigen Variablen.
Die am haufigsten gebrauchten Funktionsskalen sind die
Potenzskalen, die logarithmischen und die projektiven Skalen.
Ein sehr wichtiger Be
griff beim Aufstellen von
Funktionsskalen ist del' B8-
griff des MaBstabes (Mo
duls). MaBstab einer
Funktionsskala y = f(x) 2
nennen wir die in
MaBeinhei ten (mm,
cm usw.) a u s g cdr u c k t e
Lange einer del' , 2 3 q 5 6 7 89m x
n umerischen Einhei t
Abb.6. Abb.7.
del' Variablen y ent
sprechenden Strecke. Den MaBstab ciner solchen Skala
bezeichnen wir mit fly oder flU).
Dementsprechend bezeichnen wir als M a 13 s tab (Modul) de I'
naturlichen Skala x die in MaBeinheiten ausge
druckte Streckenlange, welche in diesel' Skala die
numerische Einheit del' Variablen x einnimmt. Diesen
MaBstab bezeichnen wir mit /hx'
§ 3. Die Potenz- und die logarithmische Skala.
Die Potenzskala entspricht del' Gleichung y = xn, WO n eine
ganze Zahl odeI' ein Bruch sein kann. Diese Skala konstruieren
wir mittels Tafel, direkter Berechnung oder graphischer Dar
stellung. So z. B. konnen wir zur Konstruktion del' Skala x = y'/2
oder del' Skala y = X'!3 die graphischen Darstellungen del' Kurven
z = y3 und z = x2 benutzen (Abb. 8), wobei jedoch darauf zu
achten ist, daB del' MaBstab fUr die Variable z in beiden Kurven
derselbe sein muB und daB auch die MaBstabe fur die (unab
hangigen) Variablen x und y auf del' Abszissenachse gleich sein
6 Die Potenz- lmd die logarithmische Skala.
mussen. Die Konstruktion der beiden Skalen zeigt die Abbildung.
Die Punkte 3,0 und 3,5 gehoren der Skala x = y'/2, der Plillkt 8,0
der Skala y = x'l, an. Dies°el be Methode konnen wir allgemein
auf die Funktion f(x, y) = anwenden, falls wir sie in del' Form
=
rp(y) 'IjJ{x) darstellen konnen.
In der Potenzskala ist die relative Ablesungsgenauigkeit ver
schieden an verschiedenen Stellen der Skala. W" enn in einer
Potenzskala y = xn, die mit MaBstab fly entworfen ist, der
absolute Fehler, del' bei del' Ablesung begangen werden kann,
± ()
maximal mm betragt (d. h. bei der Ablesung des Argu
mentes x des Punktes A del' Skala die Fehlablesung des Argu
mentes x' des Punktes A' moglich ist, wobei AA' < () ist), so ist
z=.z;2 OA = fly x"; OA' = fly x'n
und
OA' - OA =V () =() fly x'''' - fty x",
+
oder x' = fly xn .
Da () eine sehr kleine GroBe ist, so
konnen wir in der erst en Annaherung
'--"""-_-J-I.~-+---:L--L.,,.-<,A.!l.!...Y schreiben (+1- .- (-») .
8,0 3,0 3,5 M~1.0Cl11
Abb. 8. x' = x 1
n fly x"
Der relative Fehler im Punkt x ist dann
/J x' -x 1 ()
% D=----=-·--
3 x n /.tyXn'
2 odeI' in % (2)
Wir sehen also, daB del' Fehler urn
so groBer ist, je naher dem Anfange
o 1 81,5 2 z,5 3 ·17, wir nns befinden. Abb. 9 versinn-
Abb. 9. bildlicht nns die Beziehung (2) fur
fly=10mm,()=0,5mm und n=2.
Auf del' Abszissenachse ist die Funktionsskala y = x2 aufgetragen,
so daB wir aus del' Zeichnnng direkt ablesen konnen, wie groB der
maximale Fehler sein kann, der in jedem Punkte der Skala gemacht
werden kann. Falls wir annehmen, daB del' maximale Relativ
fehler kleiner als fJ% sein solI, kaun der Teil der Skala von
Punkt 0 bis Punkt B nicht benutzt werden.
Die Potenz. und die logarithmische Skala. 7
Abb. 10 stellt eine in den nomographischen Tafeln ganz be
sonders oft verwendete logarithmische Skala y = 10glO x dar mit
MaBstab fly = 100 mm. Die logarithmische Skala besitzt die auBer
ordentlich wichtige Eigenschaft, die sie von allen an
deren Funktionsskalen unterscheidet: der relative Ab .10
lesungsfehler ist in allen Punkten der Skala gleich.
Wenn dem Punkte A der logarithmischen Skala das 20
17,5
Argument x und dem um <'> mm entfemten Punkte A' 15
das Argument x' = y x entspricht, so ist
10
flylgy=<,>. (3a) 9
8
7
Dann ist der relative Fehler 6
5
yx-x
D=--=y-I. (3b)
x
J
Er ist also konstant und hangt nur vom absoluten
Fehler und vom MaBstabe der Skala abo Eine Folge 2
dieser Eigenschaft ist z. B., daB wir mit dem logarith 1,75
1,5
mischen Rechenschieber am Ende der Skala weniger
Dezimalzeichen als an ihrem Anfange ablesen konnen.
Da aile Berechnungen, die mit nomographischen Abb. 10.
Tafeln ausgefiihrt werden, Naherungsberechnungen 0,4 natiirl.
sind, so ist es sehr wichtig, den Grad der Naherung GroBe.
zu kennen, damit der relative Fehler nicht die ihm zu
gewiesenen Grenzen iiberschreite. In den logarithmischen Skalen
ist dieser Fehler eine sehr leicht zu berechnende konstante GroBe;
durch Wahlen eines entsprechenden AI
MaBstabes kann man ihn leicht be
10
liebig verkleinem, und deshalb ist 9
B
eben die Anwendung der logarith 7
mischen Skalen so bequem. In 6
5
anderen Skalen verlangt die Be
'I
stimmung des relativen Fehlers eine
besondere Rechnung. J
Bei der Konstruktion der Tafeln
ist oft notig, die logarithmischen 2
Skalen in verschiedenen MaBstaben 2
aufzutragen. Die .Rechnungen, die
man zu diesem Zwecke durchfiihren 0 (60) 0(10; (80) (9fJ) 0'
muB, ['lind langwierig. Um uns diese
Abb. 11. 0,4 natiirl. GroBe.
Konstruktion zu erleichtem, zeich-
nen wir am besten auf Millimeterpapier eine Hilfskonstruktion, wie
in Abb. 11. Auf der Geraden OM ist eine logarithmische Skala